KR101534003B1 - Apparatus of monitoring and controling small-scale wind power generation system and the small-scale wind power generation system having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소형 풍력 발전 시스템에 대한 것으로서, 특히 수직축 소형 풍력 터빈에 장착된 센서들의 정보를 수집하고 수직축 소형 풍력 터빈을 제어할 수 있는 컨트롤러를 사용하여 저렴한 비용으로 소형 풍력 발전 시스템을 구축할 수 있는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치 및 이러한 장치와 함께, IEC 61400-25 표준의 메시지 교환 방법에 따라 데이터를 교환하는 서버 및 클라이언트를 포함하는 소형 풍력 발전 시스템에 대한 것이다.The present invention relates to a small-sized wind power generation system, and more particularly, to a small-sized wind power generation system capable of collecting information of sensors installed in a vertical small-size wind turbine and constructing a small-sized wind power generation system at a low cost by using a controller capable of controlling a vertical small- A small wind turbine system monitoring and control device and a small wind turbine system including such a device and a server and a client exchanging data according to the message exchange method of the IEC 61400-25 standard.
전력 수요가 해마다 증가하고 있고, 온실 가스 감축을 의무화한 교토 의정서가 2005년 2월 공식 발표된 이후 세계적으로 신재생 에너지에 대한 관심과 관련 산업이 증가하고 있다. 그 중 풍력 발전 기술은 다양한 신재생 에너지들 중 가장 강력한 기술 및 시장 경쟁력을 갖추고 있으며, 녹색 성장의 핵심으로 지속적으로 성장하고 있다. 따라서 국내에서도 해외 풍력 모델을 도입하고, 해외 기업을 인수하는 등 여러 방면으로 풍력 시장에 뛰어들고 있다. Since the Kyoto Protocol, which mandates the reduction of greenhouse gas emissions, has been officially announced since February 2005, electric power demand has been increasing year by year. Among them, wind power technology has the strongest technology and market competitiveness among various renewable energies and continues to grow at the core of green growth. Therefore, the domestic market is entering the wind power market in several ways, including introducing overseas wind power models and acquiring overseas companies.
대규모 풍력 발전 단지의 경우 각 풍력 터빈이 넓은 지역에 산재되어 있고, 여러 제조자들이 만든 풍력 터빈들의 조합으로 이루어진다. 따라서 풍력 터빈을 추가하거나 제어 시스템의 변경이 필요할 경우 기존의 설비들과 통신 환경을 맞추기 위한 작업들이 필요하고, 프로토콜 문제가 발생한다. In the case of large wind farms, each wind turbine is scattered over a large area and consists of a combination of wind turbines made by several manufacturers. Therefore, when adding a wind turbine or changing the control system, work is required to match the communication environment with existing facilities, and protocol problems arise.
이러한 문제를 해결하기 위하여 1990년대 초반 미국 EPRI를 중심으로 개발된 UCA 2.0을 기반으로 한 변전소 자동화 표준 프로토콜인 IEC61850이 IEC TC57에서 제정된 이후, 풍력, 태양광, 수력, 에너지 저장 장치 등으로 확대 적용되고 있다. 또한, 이를 기반으로 2006년 국제 표준인 IEC61400-25가 제정되었다. 이러한 표준화로 풍력 발전 설비들 사이에 사용되는 프로토콜을 통일시켜 기존의 설비와 쉽게 결합할 수 있을 뿐만 아니라, 제품의 규격화로 호환성과 효율성이 향상되는 등 여러 가지 경제적 효과를 가질 수 있다. To solve this problem, IEC61850, a substation automation standard protocol based on UCA 2.0 developed in USA EPRI in the early 1990s, was enacted in IEC TC57, and then expanded to wind, solar, hydro, energy storage devices . Based on this, IEC61400-25, the international standard for 2006, was enacted. By standardizing these protocols, it is possible to unify the protocols used between the wind power generation facilities and to easily combine them with existing facilities, and it is possible to have various economic effects such as improving the compatibility and efficiency by standardizing the products.
그런데, 풍력 발전 시스템은 반드시 대형이어야 하는 것은 아니다. 대형 풍력 발전 단지는 많은 양의 에너지를 생산할 수 있다는 장점을 가지지만, 반면에 수많은 장비들로부터 수신되는 대용량 데이터를 처리하기 위하여 막대한 비용이 들고, 많은 설비들을 체계적으로 제어하기도 힘들며, 설치 비용이 높아 전력 생산 단가 상승상의 원인이 된다. 무엇보다, 대형 풍력 발전 시스템을 설치하기 위해서는 부지 확보에 막대한 비용이 필요하기 때문에 청정 에너지인 풍력을 이용하는 발전 시스템이 널리 보급되지 못하는 큰 걸림돌이 된다. However, wind turbine systems do not have to be large. Large wind farms have the advantage of producing large quantities of energy, but on the other hand, it is very costly to process large amounts of data received from a large number of equipment, it is difficult to systematically control many facilities, and installation costs are high It is the cause of the rise of power production unit price. Above all, large-scale wind power generation systems require huge costs for site acquisition, which is a major obstacle to the widespread use of power generation systems that use clean energy, wind power.
그러므로, 소형 발전 설비로 이루어진 소형 풍력 발전 시스템에 대한 필요성이 증가된다. Therefore, there is an increasing need for a small wind turbine system of compact power plants.
일반적으로 소형 풍력 발전 시스템은 6W에서 30kW 급의 정격 용량을 가지는 풍력 터빈을 이용하여 전력을 생산하는 시스템으로서, IEC61400-2에서 정의하는 소형 풍력 발전 시스템의 발전기는 회전자 회전 면적(Rotor Swept Area)이 200m2 이하이고, 1,000V AC 또는 1,500V DC 이하의 전압에서 약 50kW의 정격전력을 발생하는 적은 용량의 전기를 생산하는 풍력 시스템을 의미한다. Generally, a small wind power generation system is a system for generating electric power using a wind turbine having a rated capacity of 6W to 30kW. The generator of a small wind power generation system defined by IEC 61400-2 is a rotor swept area, Means a wind power system that generates less electricity with a rated power of less than 200m 2 and generates a rated power of about 50kW at a voltage of 1,000V AC or less than 1,500V DC.
최근에는 가정용 주택, 공공건물과 같은 생활 거주지에서 친환경 전력을 공급하여 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소형 풍력 발전 장치가 널리 도입되고 있는 추세이다. 이러한 소형 풍력 발전 장치는 대형 풍력 발전 장치에 비하면 크기가 작고 설치가 용이한 이점을 가진다.In recent years, there has been a tendency to introduce small-sized wind power generation devices that convert green energy into electric energy by supplying environment-friendly power from residential areas such as residential houses and public buildings. Such a compact wind turbine generator is advantageous in that it is smaller in size and easier to install than a large wind turbine generator.
소형 풍력은 태양광 발전기에 비해 설치 면적이 넓지 않아도 설치 위치에 따라 효율적인 전력생산이 용이하다는 측면이 있으나, 블레이드의 회전으로 인해 인명사고와 같은 위험성이 있음으로 사람이 가지 않는 위치 즉, 가정의 옥상 가로등의 상부와 같은 곳에 주로 설치된다. 또한, 가정용과 같이 개별 단위로 동작하여 소형 풍력 시스템을 적용하는 대단위의 모니터링 시스템에 대한 고려가 없는 실정이다. 그러므로, 설치 면적이 넓지 않으며 조경으로서의 기능도 가지는 소형풍력 단지의 구축을 통해 소형풍력 단지를 조성하고 이를 이용하여 전력을 공급하는 대단위의 모니터링 시스템의 필요성이 부각되고 있다.Small wind power has the aspect that it is easy to produce electric power efficiently according to installation position even though the installation area is not wide compared with the solar power generator. However, since there is a danger such as human accidents due to the rotation of the blade, It is mainly installed at the upper part of the streetlight. In addition, there is no consideration for a large-scale monitoring system that operates as a single unit like a home and uses a small wind turbine system. Therefore, there is a need for a large-scale monitoring system that constructs small wind farms and supplies them with power by building small wind farms that do not have a wide installation area and function as landscapes.
대한민국 특허등록 등록번호 10-1155044호는 기어가 장치된 소형 풍력 발전 장치의 역 회전력 및 부하량을 조정하여 가변 부하 방식의 알고리즘을 적용한 소형 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 기술한다. 이것을 이용하면 소형 풍력 발전기의 회전 속도를 능동적으로 제어하고 안정성을 높일 수 있다. 하지만 소형 풍력의 수직축 발전기의 경우 고비용의 기어 박스가 불필요하기 때문에 이 비용을 절감하기 위하여 최근에는 수직축 형태의 소형 풍력 발전기가 널리 설치되는 추세이다. 그렇지만, 아직 수직축 형태의 소형 풍력 발전 시스템에 대한 대단위 제어 및 모니터링 기술에 대한 연구는 미흡한 실정이다.Korean Patent Registration No. 10-1155044 describes a small-sized wind turbine generator and a control method thereof, which employs a variable load-type algorithm by adjusting the reverse torque and load of a small wind turbine generator equipped with a gear. This can actively control the rotational speed of a small wind turbine generator and improve its stability. However, in the case of a small wind turbine vertical axis generator, there is no need for a high-cost gear box. Thus, in order to reduce the cost, a vertical wind turbine is generally installed. However, there is still a lack of research on large-scale control and monitoring technology for a small-scale wind turbine system in the vertical axis.
그러므로, 규모가 작은 소형 풍력 발전 시스템을 효율적으로 모니터링할 수 있는 기술이 절실히 요구된다. Therefore, there is a desperate need for a technology capable of effectively monitoring a small-sized small wind turbine system.
본 발명의 목적은 수직축 소형풍력 장치의 제어를 서버와 클라이언트를 거치지 않고 소형 풍력 발전 장치에 연결된 모니터링 및 제어 장치를 통하여 간단하게 수행할 수 있도록 하는 것이다. 그러므로, 시스템의 간소화를 통해 풍력 전문가가 아닌 비전문가도 효율적으로 풍력 단지를 제어 및 모니터링할 수 있다. It is an object of the present invention to simplify the control of the vertical axis small wind turbine device through a monitoring and control device connected to a small wind turbine generator without going through a server and a client. Therefore, the simplification of the system makes it possible to control and monitor wind farms efficiently, even for non-wind farm specialists.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상호 통신 가능하도록 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치를 구현함으로써, 여러 개의 소형 풍력 발전 시스템을 용이하게 통합하여 확장할 수 있는 소형 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a small wind power generation system that can easily integrate and extend several small wind power generation systems by implementing a small wind power generation system monitoring and control device so as to be able to communicate with each other.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일면은, 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치는 소형 풍력 발전 시스템에 포함되는 소형 풍력 발전기들에 부착된 센서들로부터 아날로그 센서 정보를 수신하는 아날로그 정보 수신부, 수신된 아날로그 센서 정보를 분석하여 소형 풍력 발전기의 동작 상태를 결정하는 동작 상태 결정부, 결정된 동작 상태에 기초하여 소형 풍력 발전기를 제어하여, 소형 풍력 발전기의 브레이크를 작동시키거나 축전지에 전력을 충전시키는 소형 풍력 발전기 제어부, 및 동작 상태 및 소형 풍력 발전기 제어부로부터 수신된 제어 결과를 다른 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치로 송신하는 정보 교환부를 포함한다. 특히, 정보 교환부는, 다른 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치로부터 다른 소형 풍력 발전기에 대한 동작 상태 및 제어 결과를 수신하고, 소형 풍력 발전기 제어부는, 다른 소형 풍력 발전기에 대한 동작 상태 및 제어 결과를 더욱 고려하여 소형 풍력 발전기를 제어한다. 더 나아가, 소형 풍력 발전기 제어부는, 브레이크 상태, 풍속, 발전기 회전 속도, 출력 전압, 및 배터리 잔량 중 적어도 하나에 기초하여 소형 풍력 발전기를 제어한다. 또한, 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치는 동작 상태 및 제어 결과를 표시하는 디스플레이 및 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치의 온도를 안정 범위에서 유지하기 위한 온도 조절부를 더 포함한다. 바람직하게는, 소형 풍력 발전기는 수직축 풍력 터빈을 포함한다. 또한, 아날로그 센서 정보는, 풍력 터빈 브레이크 정보, 배터리 상태, 발전기 정보, 회전 날개 정보, 및 풍속 데이터 중 적어도 하나를 포함한다. In order to accomplish the above objects, one aspect of the present invention relates to a small wind turbine system monitoring and control apparatus. An apparatus and method for monitoring and controlling a small wind power generation system according to the present invention includes an analog information receiving unit for receiving analog sensor information from sensors attached to small wind turbines included in a small wind power generation system, A small wind turbine generator control section for controlling the small wind turbine generator based on the determined operation state to operate the brakes of the small wind turbine generator or to charge the electric power to the storage battery, And an information exchange unit for transmitting the control result received from the wind power generator control unit to another small wind power generation system monitoring and control apparatus. In particular, the information exchange receives operating conditions and control results for other small wind turbines from other small wind turbine system monitoring and control devices, and the small wind turbine generator control unit is operable to control the operation status and control results for other small wind turbine generators To control the small wind turbine generator. Further, the small wind turbine generator control unit controls the small wind turbine generator based on at least one of the break condition, the wind speed, the generator rotation speed, the output voltage, and the remaining battery power. In addition, the small wind turbine system monitoring and control apparatus further includes a display for displaying operating conditions and control results, and a temperature controller for maintaining the temperature of the small wind turbine system monitoring and control apparatus in a stable range. Preferably, the miniature wind power generator includes a vertical axis wind turbine. Further, the analog sensor information includes at least one of wind turbine brake information, battery status, generator information, rotary wing information, and wind speed data.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 면은, 소형 풍력 발전기들을 사용하여 전력을 생산하는 소형 풍력 발전 시스템에 관한 것이다. 소형 풍력 발전 시스템은 소형 풍력 발전기로부터 센서 정보를 수신하고 소형 풍력 발전기를 제어하는 모니터링 및 제어부, 모니터링 및 제어부로부터 소형 풍력 발전기의 동작 상태를 수신하고, 수신된 동작 상태를 표준 프로토콜에 따라서 정보 모델(Information Model; IM)로 변환하며, 표준 프로토콜에 따르는 정보 교환 모델(Information Exchange Model; IEM)에 따라서 정보 모델을 송신하는 서버, 및 서버와 통신하며, 정보 교환 모델에 따라서 정보 모델을 서버로부터 수신하는 클라이언트를 포함한다. 특히, 모니터링 및 제어부는, 소형 풍력 발전기들에 부착된 센서들로부터 아날로그 센서 정보를 수신하는 아날로그 정보 수신부, 수신된 아날로그 센서 정보를 분석하여 소형 풍력 발전기의 동작 상태를 결정하는 동작 상태 결정부, 결정된 동작 상태에 기초하여 소형 풍력 발전기를 제어하여, 소형 풍력 발전기의 브레이크를 작동시키거나 축전지에 전력을 충전시키는 소형 풍력 발전기 제어부, 및 서버와 통신하는 정보 교환부를 포함한다. 바람직하게는, 소형 풍력 발전기 제어부는, 서버로부터 수신된 다른 소형 풍력 발전기에 대한 동작 상태 및 제어 결과를 더욱 고려하여 소형 풍력 발전기를 제어한다. 또한, 소형 풍력 발전기 제어부는, 브레이크 상태, 풍속, 발전기 회전 속도, 출력 전압, 및 배터리 잔량 중 적어도 하나에 기초하여 소형 풍력 발전기를 제어하고, 모니터링 및 제어부는, 동작 상태 및 제어 결과를 표시하는 디스플레이를 더 포함한다. 바람직하게는, 모니터링 및 제어부는, 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치의 온도를 안정 범위에서 유지하기 위한 온도 조절부를 더 포함한다. 특히, 소형 풍력 발전기는 수직축 풍력 터빈을 포함하며, 아날로그 센서 정보는, 풍력 터빈 브레이크 정보, 배터리 상태, 발전기 정보, 회전 날개 정보, 및 풍속 데이터 중 적어도 하나를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a small wind turbine generator for generating electric power using small wind turbines. The small wind turbine system receives the sensor information from the small wind turbine generator, receives the operation status of the small wind turbine generator from the monitoring and control unit for controlling the small wind turbine generator, and controls the received operation state to the information model Information model (IM), communicates with the server and the server that transmits the information model according to the information exchange model (IEM) conforming to the standard protocol, and receives the information model from the server according to the information exchange model Client. In particular, the monitoring and control unit includes an analog information receiving unit for receiving analog sensor information from sensors attached to small wind turbines, an operating condition determining unit for determining operating conditions of the small wind turbine by analyzing the received analog sensor information, A small wind turbine control unit for controlling the small wind turbine generator based on the operating state to operate the brakes of the small wind turbine generators or to charge the power to the batteries, and an information exchange unit for communicating with the server. Preferably, the small wind turbine generator controller controls the small wind turbine generator further considering operating conditions and control results for other small wind turbines received from the server. The small wind turbine generator control unit controls the small wind turbine generator based on at least one of the braking state, the wind speed, the generator rotation speed, the output voltage, and the remaining battery power. The monitoring and control unit includes a display . Preferably, the monitoring and control unit further includes a temperature regulator for maintaining the temperature of the small wind turbine system monitoring and control apparatus in a stable range. In particular, the small wind turbine includes a vertical axis wind turbine, and the analog sensor information includes at least one of wind turbine break information, battery status, generator information, rotary wing information, and wind speed data.
본 발명에 의하여, 누구나 소형 풍력 발전 장치에 연결된 모니터링 및 제어 장치를 통하여 간단하게 소형 풍력 발전 시스템을 제어할 수 있기 때문에 소형 풍력 발전 시스템의 운용 효율이 향상된다. According to the present invention, since the small wind turbine system can be controlled by anyone using the monitoring and control device connected to the small wind turbine generator, the operating efficiency of the small wind turbine system is improved.
또한, 본 발명에 의하면, 설치 간격이 좁아도 되는 소형 풍력 발전 시스템 각각에 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치를 설치하고, 여러 개의 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치를 묶어서 제어함으로써, 효율적으로 풍력 터빈의 확장시킬 수 있다.Further, according to the present invention, a small wind power generation system monitoring and control device is installed in each of the small wind power generation systems that can be installed at narrow intervals, and by bundling and controlling several small wind power generation system monitoring and control devices, .
도 1 은 본 발명의 일면에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 2 는 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치가 수직축 소형 풍력 장치를 모니터링하고 제어하는 전체 동작을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 3 은 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치가 수직축 풍력 발전 장치를 정격 전류, RPM, 전력량에 따라 제어하는 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 4 는 도 1 의 장치에 의하여 수집된 정보가 서버 및 클라이언트로 전송되는 과정을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 다른 면에 의한 소형 풍력 발전 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6 은 도 4 에서 서버 및 클라이언트 사이에 전송되는 정보 모델의 계층적 구조를 예시하는 도면이다.
도 7 은 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치의 실 구현예를 나타내는 사진이다.1 is a block diagram conceptually showing a small wind turbine system monitoring and control apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating the entire operation for monitoring and controlling the vertical axis small wind turbine apparatus according to the present invention.
3 is a flowchart illustrating a process of controlling a vertical axis wind power generator according to a rated current, an RPM, and an amount of power according to a small wind power system monitoring and control apparatus according to the present invention.
4 is a conceptual diagram illustrating a process of transmitting information collected by the apparatus of FIG. 1 to a server and a client.
5 is a view showing an example of a small wind power generation system according to another aspect of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a hierarchical structure of an information model transmitted between a server and a client in FIG.
7 is a photograph showing an actual implementation example of a small wind power generation system monitoring and control apparatus according to the present invention.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described. In order to clearly describe the present invention, parts that are not related to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings denote the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary. The terms "part", "unit", "module", "block", and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, And a combination of software.
도 1 은 본 발명의 일면에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치를 개념적으로 나타내는 블록도이다. 1 is a block diagram conceptually showing a small wind turbine system monitoring and control apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1 에 도시된 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)는 아날로그 정보 수신부(110), 동작 상태 결정부(130), 소형 풍력 발전기 제어부(150), 정보 교환부(170), 온도 조절부(180), 및 디스플레이(190)를 포함한다. 1 includes an analog
소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)는 소형 풍력 발전 시스템에 포함되는 풍력 터빈(200)에 부착된 센서들로부터 아날로그 센서 정보를 수신한다. 아날로그 센서 정보는, 풍력 터빈 브레이크 정보, 배터리 상태, 발전기 정보, 회전 날개 정보, 및 풍속 데이터 등을 포함할 수 있다. The small wind power system monitoring and
수신된 아날로그 센서 정보는 동작 상태 결정부(130)에 의하여 분석된다. 그러면, 동작 상태 결정부(130)는 분석 결과를 바탕으로 풍력 터빈(200)의 동작 상태를 결정한다. 동작 상태는 정격 전류, RPM, 전력량, 풍속 등을 포함할 수 있으며, 풍력 터빈(200)이 현재 정상 동작 중인지, 또는 비정상 동작 중인지 여부를 포함한다. 또는 구체적으로는 소형 풍력 발전기 제어부(150)는, 브레이크 상태, 풍속, 발전기 회전 속도, 출력 전압, 및 배터리 잔량 등에 기초하여 풍력 터빈(200)을 제어할 수도 있다. 풍력 터빈(200)의 동작 상태에 대해서는 도 2 및 도 3 을 사용하여 상세히 후술된다. 그러므로, 명세서의 간략화를 위하여 중복된 설명이 생략된다. The received analog sensor information is analyzed by the operation
동작 상태가 결정되면, 소형 풍력 발전기 제어부(150)는 이를 동작 상태 결정부(130)로부터 수신하고, 수신된 동작 상태에 기초하여 풍력 터빈(200)을 직접 제어한다. 또한, 소형 풍력 발전기 제어부(150)는 풍력 터빈(200)의 작동시키거나 축전지에 전력을 충전시키는 등의 제어 동작을 수행한다. 소형 풍력 발전기 제어부(150)가 풍력 터빈(200)을 제어하는 과정은 디스플레이(190)를 통하여 사용자에게 표시될 수도 있고, 정보 교환부(170)를 통하여 외부 장치로 전송될 수도 있다. 즉, 정보 교환부(170)는 동작 상태 및 소형 풍력 발전기 제어부로부터 수신된 제어 결과를 다른 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치로 송신한다. 정보 교환부(170)는 풍력 터빈(200)의 동작 상태와 소형 풍력 발전기 제어부(150)의 제어 결과를 외부로 전송하는 것 뿐만 아니라, 외부 장치로부터 다른 풍력 터빈에 대한 동작 상태 및 제어 결과를 수신할 수도 있다. 이 경우, 소형 풍력 발전기 제어부(150)는 풍력 터빈(200) 자체의 동작 상태 뿐만 아니라, 외부의 다른 풍력 터빈의 동작 상태 및 제어 결과를 더 고려하여 풍력 터빈(200)을 제어할 수도 있다. When the operation state is determined, the small wind turbine
이와 같이, 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)는 외부의 다른 장치와 정보를 교환할 수 있는 정보 교환부(170)를 포함하고 있으며, 소형 풍력 발전기 제어부(150)는 수신된 정보에 기초하여 자신이 담당하는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)를 제어할 수 있다. 그러므로, 여러 그룹의 소형 풍력 발전 시스템을 개별적으로 제어하는 것이 아니라, 이들 상호 간의 동작 효율이나 동작 상태를 고려하여 효율적으로 전체 시스템을 제어할 수 있다. As described above, the small wind turbine generator monitoring and
소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)는 풍력 터빈(200)이 동작하는 한 상시 동작한다. 그러므로 온도가 상승할 경우 오동작의 위험이 높아진다. 그러므로, 온도 조절부(180)는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)의 동작 온도를 안정 범위에서 유지하기 위해서 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)를 쿨링하거나 가열한다. The small wind turbine system monitoring and
도 1 에서, 풍력 터빈(200)은 수직축 풍력 터빈일 수 있다. 일반적으로, 풍력 발전 시스템에서는 대용량의 전력을 생산하기 위해서 수평축 풍력 터빈을 사용한다. 그러나, 수평축 풍력 터빈은 설치 공간에 많은 제약이 있기 때문에 적은 면적에는 구현하기가 힘들다. 그러나, 수직축 풍력 터빈은 좁은 공간에서 설치될 수 있으며, 기구적 구성도 수평축 풍력 터빈보다 간단하다. 예를 들어, 수직축 풍력 발전 시스템에서는 수평축 풍력 시스템에서 고려되는 기어박스나 요잉에 의한 터빈의 방향, 풍향 센서 등을 고려할 필요가 없다. 그 이유는 수평축 터빈은 날개의 회전축이 지면에 수평형태로 되어있으며 바람이 날개에 부딪치는 힘을 이용하여 회전하는 날개를 통해 발전하며 풍향의 영향을 받지만 수직축 풍력 발전기는 그렇지 않기 때문이다. 반면에, 수직축 터빈은 날개의 회전축이 지면에 수직 형태로 되어있어 바람의 방향과 관계없이 발전이 가능하다. 따라서, 수평축 터빈과 다르게 바람의 방향에 따라 회전축이 이동하는 요잉(Yawing), 풍향 정보 및 날개면의 각도를 제어하는 피치(Pitch) 정보 모델이 필요 없다. 그러므로, 소형 풍력 발전기 제어부(150)의 구성 및 동작이 간략화될 수 있다. 1, the
도 1 의 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)은 서버와 통신할 때 정보 모델 데이터를 보내지 않고 단순 센싱 정보 및 제어정보를 시리얼-WIFI 통신으로 전송한다. 물론, IEC 61400-25 표준 상에서는 서버 및 클라이언트 사이에 정보 모델로 구현된 데이터 전송이 이루어져야 하지만, 본 발명에서는 소형풍력 터빈에 장착된 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)는 수신된 데이터를 정보 모델로 변경하는 동작을 수행하지 않는다. 이것은 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100) 레벨에서 데이터를 정보 모델로 정보 교환 모델을 사용하여 데이터 교환을 구현하는 것은 비용적인 측면에서 비효율적이기 때문이다. 즉, 모든 정보(단순 센서 정보-시리얼로 변경된)는 서버가 수신받아서 정보 모델로 변경한 후 정보 교환 모델을 사용하여 클라이언트로 서비스한다. 그 이유는, 대형풍력은 하나의 터빈에서도 모니터링 및 제어정보가 방대하지만 소형 풍력에서는 모니터링 및 제어정보가 많지 않기 때문이다. 그러므로, 개별적인 발전 장비에 설치되는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)가 정보 모델 변환 기능까지 가지고 있을 필요가 없다. The small wind power generation system monitoring and
이와 같이, 도 1 의 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치(100)를 사용하면 수평축 풍력 시스템의 복잡한 제어 시스템을 간소화 하여 소형풍력 단지를 효율적으로 모니터링하고 제어할 수 있다.Thus, using the small wind turbine system monitoring and
도 2 는 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치가 수직축 소형 풍력 장치를 모니터링하고 제어하는 전체 동작을 개념적으로 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating the entire operation for monitoring and controlling the vertical axis small wind turbine apparatus according to the present invention.
즉, 도 2 는 전력의 생산에 따른 운영 주기를 나타내며, 풍속이 높아지면 RPM이 올라가게 되고 따라서 출력 전압도 상승한다. 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치에 설정된 정격 풍속, RPM, 출력에 따라 풍력 발전기를 제동하거나 출력을 조정함으로써 발전량 및 환경에 따른 소형 풍력 발진기를 제어한다. That is, FIG. 2 shows the operating cycle according to the production of electric power. When the wind speed is increased, the RPM is increased, and the output voltage is also increased. The small wind turbine generator according to the power generation amount and the environment is controlled by braking the wind turbine or adjusting the output according to the rated wind speed, RPM, and output set in the small wind turbine system monitoring and control apparatus according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치가 수직축 풍력 발전 장치를 정격 전류, RPM, 전력량에 따라 제어하는 프로세스를 나타내는 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating a process of controlling a vertical axis wind power generator according to a rated current, an RPM, and an amount of power according to a small wind power system monitoring and control apparatus according to the present invention.
우선, 소형 풍력 발전 시스템을 제어하기 위하여 풍속 및 RPM 출력을 측정한다(S305). 그리고, 측정된 값이 정격 풍속 및 RPM 이하인지 판단한다(S310). First, the wind speed and the RPM output are measured to control the small wind power generation system (S305). Then, it is determined whether the measured value is less than the rated wind speed and RPM (S310).
만일 측정된 값이 정격 풍속 및 RPM 이하라면 배터리 충전이 가능한 상태라는 것이기 때문에, 이 때에 현재 브레이크 상태를 판단한다(S315). 만일 브레이크가 off라면 배터리를 충전한다(S350). 하지만, 현재 브레이크가 on 상태라면, 이는 풍속과 RPM 등이 정상인데도 발전기가 동작하지 않는 상태라는 것을 나타낸다. 따라서, 이상 상태를 기록하고(S320) S305 단계로 복귀한다. 반면에 풍속과 RPM 등이 비정상이라는 의미는 태풍과 같이 심한 바람이 부는 상황을 나타낸다. 이 경우에도 풍력 발전기를 동작시킬 경우 발전기 자체에 무리가 갈 수 있음은 물론이고, 각종 기계 부품들에 심각한 피로가 발생하여 제품의 내구성을 떨어뜨릴 수 있다. 그러므로, 풍속과 RPM 등이 비정상일 경우에는 풍력 발전기를 동작시키지 않는 것이 바람직하다. If the measured value is equal to or lower than the rated wind speed and the RPM, it is determined that battery charging is possible. Therefore, the current brake condition is determined at this time (S315). If the brake is off, the battery is charged (S350). However, if the current brake is on, it indicates that the generator is in a non-operating state even though the wind speed and RPM are normal. Accordingly, the abnormal state is recorded (S320) and the flow returns to step S305. On the other hand, when the wind speed and RPM are abnormal, it means that the wind is blowing like a typhoon. Even in this case, when the wind turbine generator is operated, the generator itself may be overloaded, and serious mechanical fatigue may occur, which may degrade the durability of the product. Therefore, it is preferable not to operate the wind power generator when the wind speed and RPM are abnormal.
배터리의 충전은 배터리의 잔여 용량을 고려하여 수행되어야 한다. 그러므로, 배터리를 충전하는 동안 배터리가 완충되었는지를 판단한다(S360). 배터리가 아직 완충되지 않았으면, 다시 초기 단계로 복귀한다. 만일 배터리 충전이 완료되었다면, 더 이상 과충전 할 필요가 없으므로 배터리 연결을 차단시키고, 브레이크를 on한다(S370). The charging of the battery should be performed in consideration of the remaining capacity of the battery. Therefore, it is determined whether the battery is fully charged while charging the battery (S360). If the battery is not yet fully charged, it returns to the initial stage. If the battery charging is completed, there is no need to overcharge the battery, so the battery is disconnected and the brake is turned on (S370).
이러한 모든 동작을 기록되고(S335), 배터리의 잔량이 소모될 때까지 대기한다(S340). 배터리 잔량이 일정량으로 소모되기를 기다리는 이유는 배터리의 과충전을 방지하고, 풍력 발전 시스템이 과동작하는 것을 방지하기 위한 것이다. 시간이 지나서 배터리 잔량이 소정치 아래로 떨어지면(S345), 다시 초기 단계로 복귀하여 배터리 충전을 시도한다. All such operations are recorded (S335), and the process waits until the remaining amount of the battery is consumed (S340). The reason for waiting for the remaining amount of the battery to be consumed in a certain amount is to prevent the overcharge of the battery and to prevent the wind power generation system from over working. If the battery remaining amount falls below the predetermined value (S345), the operation returns to the initial step to try to charge the battery.
다시 S310 단계로 복귀하면, 측정된 값이 정격 풍속과 정격 RPM 이가 아니라면, 브레이크의 상태를 점검한다(S325). 만일 브레이크가 off 상태라면 브레이크를 on 상태로 하고(S330) 해당 동작을 기록한다(S335). 반면에, 브레이크가 이미 on 상태라면, 다시 초기 단계로 복귀한다. Returning to step S310, if the measured value is not the rated wind speed and the rated RPM, the state of the brake is checked (S325). If the brake is off, the brake is turned on (S330) and the operation is recorded (S335). On the other hand, if the brake is already on, it returns to the initial stage.
이와 같이, 본 발명에서는 풍속, RPM, 출력을 측정하고 이를 통해 정격 풍속, RPM 이상인 경우 브레이크를 작동시키고 정상 상태에서만 발전기를 동작시키고 배터리를 충전한다. 또한 배터리가 완전히 충전되었을 경우 소형풍력 발전기가 설치된 위치 및 환경에 따라 배터리의 최소 잔량을 설정하여 이를 통해 지속적인 전력의 공급을 유지한다. As described above, in the present invention, the wind speed, RPM, and output are measured, and when the rated wind speed is higher than RPM, the brake is operated and the generator is operated and the battery is charged only in a normal state. In addition, when the battery is fully charged, the minimum amount of the battery is set according to the location and environment where the small wind turbine is installed, thereby maintaining the continuous power supply.
도 4 는 도 1 의 장치에 의하여 수집된 정보가 서버 및 클라이언트로 전송되는 과정을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 4 는 IEC 61400-25 에 기반한 프로토콜에서 정보 모델, 정보 교환 모델, 및 데이터 맵핑 방식을 표현한다. 풍력 터빈의 정보는 컨트롤러(410)에 의하여 획득되고, 콘트롤러는 이를 무선 랜을 통해 I/O 기능의 서버(470)로 전송한다. 그러면, 서버는 취합된 정보를 정보 모델로 변환하여 SOAP(Simple Object Access Protocol)의 웹서비스 형태로서 모니터링 클라이언트(490)로 전송한다. 서버(470) 및 클라이언트(490) 사이에서는 획득한 정보를 표준화된 방식으로 SOAP 메시지를 통하여 전송한다. 그러므로, 전송되는 데이터와 무관하게 상호 간의 안정적 통신이 보장된다. 4 is a conceptual diagram illustrating a process of transmitting information collected by the apparatus of FIG. 1 to a server and a client. Figure 4 represents an information model, an information exchange model, and a data mapping scheme in a protocol based on IEC 61400-25. The information of the wind turbine is acquired by the
본 발명에서 표준 프로토콜이란 풍력 발전 시스템에서 정보를 교환하기 위한 모든 표준 프로토콜을 가리킬 수 있으며, 그 예로서는 IEC 61850 및 IEC 61400-25를 들 수 있다. 변전소 자동화 시스템의 국제 표준인 IEC 61850은 2003년 발행되었으며, 풍력 발전 시스템을 모니터링하기 위하여 ACSI(Abstract Communication Service Interface)를 정의한다. 그리고 IEC 61400-25는 IEC 61850을 기반으로 하여 풍력 발전 시스템의 감시 및 제어를 위한 표준 통신 프로토콜로서 2006년에 발표된 표준이다. IEC 61400-25 표준 문서는 풍력 발전기와 SCADA(Supervisory Control And Data Aquisition) 시스템과의 통신에 초점을 맞췄으며, 총 6 개의 부분으로 구성되어 있다. 즉, IEC 61400-25는 중대형풍력 단지를 위한 표준으로써 수직축 풍력 발전 시스템을 기반으로 표준화가 진행되어 있으며, 통신 프로토콜을 비롯한 메시지 교환에 있어 다양한 기종의 풍력터빈의 메시지 교환을 위해 통신 시스템의 표준을 정의하고 있다. 논리 노드의 정보는 정보 모델(Information Model)로서 표준화되고, 표준화된 정보는 정보 교환 모델(Information Exchange Model)을 통하여 클라이언트(490) 및 서버(470) 사이에서 교환된다. In the present invention, a standard protocol may refer to any standard protocol for exchanging information in a wind turbine system, examples of which are IEC 61850 and IEC 61400-25. IEC 61850, an international standard for substation automation systems, was issued in 2003 and defines the Abstract Communication Service Interface (ACSI) for monitoring wind power systems. IEC 61400-25 is a standard published in 2006 as a standard communication protocol for monitoring and controlling wind power generation systems based on IEC 61850. The IEC 61400-25 standard document focuses on the communication between the wind turbine generator and the Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) system. In other words, IEC 61400-25 is a standard for medium and large wind farms, and is being standardized on the basis of a vertical axis wind power generation system. In order to exchange messages of various types of wind turbines in message exchanges including communication protocols, . The information of the logical node is standardized as an information model and the standardized information is exchanged between the
그런데, 전술된 바와 같이 IEC 61400-25는 대형 풍력 발전 시스템에 적합하게 설계된 것이므로 소형 풍력 발전 시스템에 적용하기에는 자원의 낭비가 많다. 즉, 소형 풍력 발전 시스템은 상대적으로 대형 풍력의 모니터링보다 작은 규모임으로 대형 풍력과 같은 모니터링 시스템을 구현할 필요가 없다. 또한, IEC 61400-25는 수평축 풍력 발전 시스템만을 고려하고 있으므로, 수직축 풍력 발전 시스템에서 고려해야 할 요소가 빠져있으며, 반면에 수직축 풍력 발전 시스템에서 사용하지 않는 불필요한 요소들이 규정되어 있다. However, as described above, IEC 61400-25 is designed to be suitable for a large-scale wind power generation system, so there is a lot of resources to be applied to a small wind power generation system. That is, a small wind turbine system is smaller than a relatively large wind turbine monitoring system, so there is no need to implement a monitoring system such as a large wind turbine. In addition, since IEC 61400-25 considers only the horizontal axis wind power generation system, there are no factors to consider in the vertical axis wind power generation system, while unnecessary elements not used in the vertical axis wind power generation system are defined.
그러므로, 본 발명에서는 모니터링 대상인 소형 풍력 발전 시스템에 적합하도록 표준 프로토콜을 응용하여 호환 프로토콜을 정의할 수도 있다. 어떤 정보 모델이 수직축 풍력 발전 시스템에서는 불필요하고, 어떤 정보 모델이 수직축 풍력 발전 시스템을 모니터링하기 위하여 추가적으로 필요한지는 사전 정의된 룰에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 수직축 풍력 발전 시스템을 모니터링하기 위하여 WTUR-Brake, WBAT-Battery, WGEN-Generator, WROT-Rotor, WNAC-Wind Speed가 필요할 수 있다. 즉, 수직축 풍력 발전 시스템의 브레이크에 대한 정보는 WTUR 정보 모델로써 기술하고, 배터리 정보는 WBAT 정보 모델로써 기술하며, 발전기 정보는 WGEN 정보 모델로써 기술한다. 이 중 WTUR, WGEN, WROT, 및 WNAC는 IEC 61400-25에서 사용되는 정보 모델이지만, WBAT는 IEC 61400-25에 없으므로 본 발명에 의한 호환 프로토콜에 추가되는 정보 모델이다. Therefore, in the present invention, a compatible protocol may be defined by applying a standard protocol to be suitable for a small wind power generation system to be monitored. Which information model is not required in a vertical axis wind power generation system and which information model is additionally required for monitoring a vertical axis wind power generation system can be determined according to a predefined rule. For example, WTUR-Brake, WBAT-Battery, WGEN-Generator, WROT-Rotor and WNAC-Wind Speed may be required to monitor a vertical axis wind power system. That is, the information about the brakes of the vertical axis wind power generation system is described as a WTUR information model, the battery information is described as a WBAT information model, and the generator information is described as a WGEN information model. Of these, WTUR, WGEN, WROT, and WNAC are the information models used in IEC 61400-25, but WBAT is not in IEC 61400-25, so it is an information model added to the compatible protocol according to the present invention.
각각의 정보 모델에 대해서 설명하면 다음과 같다. Each information model will be described as follows.
- WTUR : 정보모델 논리 노드(Logical Node; LN)의 하나로써 풍력 터빈 일반 정보를 기술한다. WTUR 하부에는 Brake라는 제어 가능한 데이터가 포함된다. - WTUR: Describes the wind turbine general information as one of the information model logical nodes (LN). The lower part of the WTUR contains controllable data, called Brake.
- WBAT : 풍력 발전기 내부에 존재하는 배터리를 표현하는 LN이다. WBAT는 전압, 충전상태 등 배터리와 관련된 데이터를 제공하고, 본 발명에 의한 호환 프로토콜에서 추가되는 LN이다. - WBAT: LN expressing the battery inside the wind power generator. WBAT provides data related to the battery, such as voltage, charge state, and is an LN added in the compatibility protocol according to the present invention.
- WGEN : 발전기를 나타내는 LN이며, 하부에 발전기와 관련된 데이터를 포함한다. - WGEN: LN representing the generator, including data related to the generator below.
- WROT : 회전 날개를 나타내는 LN이며, 날개의 회전 속도 등의 정보를 제공한다.- WROT: An LN indicating the rotary wing, and provides information such as the rotation speed of the wing.
- WNAC : 풍력발전기 내부를 뒤덮는 덮개를 나타내는 LN이며, 풍속 데이터를 제공한다. - WNAC: An LN that represents the lid that covers the inside of the wind turbine and provides wind speed data.
이와 같이 수직축 풍력 발전 시스템에 적합한 정보 모델이 생성되면, 생성된 정보 모델은 호환 프로토콜에 따라 클라이언트(490)로 전송된다. 이 때, 호환 프로토콜은 표준 프로토콜과 동일한 정보 교환 모델(Information Exchange Model; IEM)을 사용하여 통신하기 때문에, IEC 61400-25에 따르는 모든 서버(470) 및 클라이언트(490) 사이에서 본 발명에서 새로 정의한 정보 모델을 송수신할 수 있다. Once the information model suitable for the vertical axis wind power generation system is generated, the generated information model is transmitted to the
정보 모델이 수신되면, 클라이언트(490)는 전송된 정보 모델을 분석하고, 분석 결과를 사용자에게 디스플레이한다. 그러면, 사용자는 GUI를 이용하여 많은 소형 풍력 발전기를 동시에 용이하게 모니터링할 수 있다. When the information model is received, the
도 5 는 도 4에서 서버 및 클라이언트 사이에 전송되는 정보 모델의 계층적 구조를 예시하는 도면이다. FIG. 5 is a diagram illustrating a hierarchical structure of an information model transmitted between a server and a client in FIG.
서버에서 생성하는 정보 모델은 하나의 논리 디바이스(LD)에 대하여 여러 개의 논리 노드(LN)를 포함한다. 정보 모델은 계층적 형식을 가지고 있으며 최상층은 논리 디바이스(LD)라고 불리는 하나의 실제 풍력발전기를 나타낸다. 또한, LD의 하위에는 내부의 서브 시스템들을 나타내는 수 개의 논리 노드(LN)가 존재한다. 또한, 각각의 논리 노드(LN)는 수 개의 데이터 클래스를 가지고 있으며, 이들은 또한, 명칭, CDC(Common Data Class), 설명, 한시성, 강제성 등의 필드를 가진다. The information model generated by the server includes a plurality of logical nodes (LN) for one logical device (LD). The information model has a hierarchical format and the top layer represents one real wind turbine, called the Logical Device (LD). There are several logical nodes (LN) underneath the LD, which represent internal subsystems. Each logical node LN also has several data classes, which also have fields such as name, Common Data Class (CDC), description, persistence, and coercivity.
이들 필드도 역시 하위 계층을 가질 수 있으며, 예를 들어 CDC 는 명칭, 타입, 기능 제한, 트리거 옵션, 뷰/범위, 및 강제성 필드를 가질 수 있다. 이와 같이 정보 모델을 계층적으로 표현함으로써, 정보 모델에서 필요한 정보에 대한 접근성을 높이기 위한 것이다. 본 발명에서는 이와 같은 정보 모델을 기초로 하여 불필요한 정보 모델은 추상화하고, 추가적으로 필요한 정보 모델을 더 추가하여 호환성과 접근가능성을 보장한다. These fields may also have a lower hierarchy, for example the CDC may have a name, type, functional limit, trigger option, view / scope, and coercivity field. In this manner, the information model is expressed hierarchically to improve the accessibility to the information required by the information model. In the present invention, unnecessary information models are abstracted on the basis of the information model, and additional information models are additionally added to ensure compatibility and accessibility.
도 5 는 본 발명의 다른 면에 의한 소형 풍력 발전 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.5 is a view showing an example of a small wind power generation system according to another aspect of the present invention.
각 소형풍력 발전기는 기본적으로 전력을 생산해서 축전지에 전력을 공급하며 과전류가 흐르거나 배터리 과충전 등의 문제를 방지하기 위하여 이를 모니터링하고 제어하기 위한 장치가 필요하다. 또한 풍력 발전기의 설치 장소는 바람의 이동이 잦은 곳으로써 돌풍이나 태풍등과 같은 상황에 대처하기 위한 제어가 필요하다. 다수의 소형풍력 발전기가 설치된다면 이를 총괄적으로 모니터링, 제어하기 위한 메커니즘이 필요하며 이에 본 발명은 수직축 소형풍력 시스템의 관리를 위한 장치와 이를 모니터링 하기 위하여 도 5 와 같은 발전 시스(500)템을 고안한다.Each small wind turbine basically generates electricity and supplies power to the battery, and a device for monitoring and controlling it to prevent the over current or battery overcharging problem is needed. In addition, wind turbine installation sites are frequent wind movements and require control to cope with wind and typhoon situations. If a plurality of small wind turbines are installed, a mechanism for collectively monitoring and controlling the small wind turbines is required. Accordingly, the present invention is directed to a device for managing a vertical axis small wind turbine system and a power system do.
도 5 에 도시된 소형 풍력 발전 시스템(500)은 풍력 발전기(510), 서버(570), 및 클라이언트(590)로 이루어진다. 특히, 도 5 에서는 풍력 발전기(510)가 내부에 콘트롤러(530)를 포함하는 것으로 도시한다. 하지만, 콘트롤러(530)는 반드시 풍력 발전기(510) 내부에 내장되어야 하는 것은 아니며, 풍력 발전기(510) 외부에서 풍력 발전기(510)의 아날로그 센서 정보를 수신할 수 있기만 하면 족하다. The miniature wind
수직축 소형풍력 발전기(510)에 설치된 풍속, RPM, 브레이크, 발전기의 상태가 콘트롤러(530)로 아날로그 신호로서 전달된다. 그러면, 콘트롤러(530)는 이러한 아날로그 센서 정보를 수신하고 이를 분석하여 필요할 경우 풍력 발전기(510)의 브레이크를 직접 제어한다. 또한, 풍력 발전기(510)로부터 생산되는 전력은 다수로 구성된 축전지로 충전되고 충전된 전력은 콘트롤러(530)를 통해 AC 또는 DC로 변환되어 적용 시스템에 제공된다. 이 경우, 대용량 배터리를 충전할 지 여부, 또는 전력을 적용 시스템으로 공급할 것인지 여부도 역시 콘트롤러(530)가 결정할 수 있다. 이러한 동작을 수행하기 위하여, 콘트롤러(530)는 메모리 카드, 디스플레이, 파워 서플라이, MCU를 포함한다. 또한, 콘트롤러(530)는 전압 컨버터, 온도 센서, 쿨링 및 히팅 모듈을 포함한다. 쿨링 및 히팅 모듈은 콘트롤러(530)의 동작 온도가 이상 범위에 들어가지 않도록 콘트롤러(530)의 동작 온도를 일정하게 유지하는 역할을 담당한다. 메모리 카드는 풍력 발전기(510)의 동작 이력에 대한 정보를 기록한다. 디스플레이는 풍력 발전기(510)의 동작 상태 및 현재 콘트롤러(530)의 제어 결과 등을 사용자에게 디스플레이한다. 파워 서플라이는 콘트롤러(530)에 공급되는 전원이 끊겼을 때 보조적으로 콘트롤러(530)에 급전하기 위한 장치이다. 콘트롤러(530)가 획득한 정보는 무선랜을 통해 서버(570)로 전송되며, 서버(570)는 이 정보를 서비스 하기위한 IEC 61400-25 기반의 정보모델(Information Model)로 변경하고 정보교환모델(Information Exchange Model)로써 클라이언트(590)로 전송한다. The state of the wind speed, RPM, brake, and generator installed in the vertical axis small
서버(570)는 SOAP 서버 및 I/O 서버를 포함한다. 서버(570)는 I/O를 통해 컨트롤러와 클라이언트(590)와의 시간을 동기화 하는 기능을 포함한다. 풍력 터빈 정보(wTurbine)는 풍력 터빈 오브젝트로서 오브젝트 목록에 기록될 수 있다. SOAP 서버는 IEM을 사용하여 정보 모델을 클라이언트(590)로 송신한다. SOAP에 기록되는 논리 디바이스(LD)에 대해서는 도 6 을 이용하여 후술된다. The
클라이언트(590)는 제공받은 정보 모델을 객체로 표현하고, 일정한 시간 간격으로 서버와 통신하며 정보를 갱신한다. 또한, 클라이언트(590)는 송수신 데이터 정보, 계정 정보, 시스템 구성 정보를 모두 데이터베이스에 저장하여 시스템의 이력을 관리한다. The
도 6 은 도 4 에서 서버 및 클라이언트 사이에 전송되는 정보 모델의 계층적 구조를 예시하는 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating a hierarchical structure of an information model transmitted between a server and a client in FIG.
도 4 에 도시된 바와 같이, 서버에서 생성하는 정보 모델은 하나의 논리 디바이스(LD)에 대하여 여러 개의 논리 노드(LN)를 포함한다. 정보 모델은 계층적 형식을 가지고 있으며 최상층은 논리 디바이스(LD)라고 불리는 하나의 실제 풍력발전기를 나타낸다. 또한, LD의 하위에는 내부의 서브 시스템들을 나타내는 수 개의 논리 노드(LN)가 존재한다. 또한, 각각의 논리 노드(LN)는 수 개의 데이터 클래스를 가지고 있으며, 이들은 또한, 명칭, CDC(Common Data Class), 설명, 한시성, 강제성 등의 필드를 가진다. 이들 필드도 역시 하위 계층을 가질 수 있으며, 예를 들어 CDC 는 명칭, 타입, 기능 제한, 트리거 옵션, 뷰/범위, 및 강제성 필드를 가질 수 있다. 이와 같이 정보 모델을 계층적으로 표현함으로써, 정보 모델에서 필요한 정보에 대한 접근성을 높이기 위한 것이다. 본 발명에서는 이와 같은 정보 모델을 기초로 하여 불필요한 정보 모델은 추상화하고, 추가적으로 필요한 정보 모델을 더 추가하여 호환성과 접근가능성을 보장한다. As shown in FIG. 4, the information model generated by the server includes a plurality of logical nodes (LN) for one logical device (LD). The information model has a hierarchical format and the top layer represents one real wind turbine, called the Logical Device (LD). There are several logical nodes (LN) underneath the LD, which represent internal subsystems. Each logical node LN also has several data classes, which also have fields such as name, Common Data Class (CDC), description, persistence, and coercivity. These fields may also have a lower hierarchy, for example the CDC may have a name, type, functional limit, trigger option, view / scope, and coercivity field. In this manner, the information model is expressed hierarchically to improve the accessibility to the information required by the information model. In the present invention, unnecessary information models are abstracted on the basis of the information model, and additional information models are additionally added to ensure compatibility and accessibility.
도 7 은 본 발명에 의한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치의 실 구현예를 나타내는 사진이다.7 is a photograph showing an actual implementation example of a small wind power generation system monitoring and control apparatus according to the present invention.
도 7 에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 의한 장치는 소형일 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 소형 풍력 발전 시스템을 독립적으로 모니터링하고 제어할 수 있다. 또한, 이러한 장치들은 상호 통신을 통하여 여러 소형 풍력 발전 시스템들이 유기적으로 동작하도록 보장한다. As shown in Fig. 7, the device according to the present invention is capable of independently monitoring and controlling a small wind turbine system at a low cost as well as a small size. In addition, these devices ensure that several small wind turbine systems operate organically through intercommunication.
도 7 에 구현된 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치는, 예를 들어 무선 통신의 Rx, Tx, 브레이크의 on/off 여부, 정격 RPM, 정격 풍속의 상태를 표시하는 LED를 포함하여 소형 풍력 발전기의 상태를 표시한다. EH한, 비상 브레이크 스위치를 통해 브레이크를 제어한다. The small wind turbine system monitoring and control apparatus embodied in FIG. 7 includes LEDs for indicating Rx, Tx, on / off status of brakes, rated RPM, and rated wind speed of wireless communication, State. EH, the brake is controlled via the emergency brake switch.
더 나아가, 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치는 LED 디스플레이를 통해 출력량, 배터리 잔량을 표시함으로써 풍력발전기가 설치된 현장에서 개별적인 발전기의 현황을 개략적으로 파악한다. 이러한 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치의 기능을 요약하면 다음 표 1 과 같다.Furthermore, the small wind power system monitoring and control device displays the output and the remaining battery level through the LED display, and thereby grasps the status of individual generators at the site where the wind turbine generator is installed. The functions of these small wind turbine monitoring and control devices are summarized in Table 1 below.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따르는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치는 대형 풍력 장비가 설치되지 못하는 위치에 다수의 수직축 소형풍력 발전기를 설치할 때 설치된 소형 풍력 발전기를 직접적으로 모니터링할 수 있고 제어할 수 있다. 또한, 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치 여러 개를 그룹화하여 제어할 수 있기 때문에, 가정용 등으로 개별적으로 사용되는 소형풍력 시스템을 소형풍력 발전 단지의 구성을 통해 확장하여 도심형 소형풍력 단지, 마리나 항만에까지 구축할 수 있다. As described above, the small wind turbine system monitoring and control apparatus according to the present invention can directly monitor and control a small wind turbine installed when installing a plurality of vertical axis small wind turbines at locations where large wind turbine equipment can not be installed. have. In addition, since it is possible to group and control several small wind turbine monitoring and control devices, it is possible to expand the small wind turbine system, which is used individually for household use, through the construction of a small wind turbine complex, Can be constructed.
또한, 제어 및 모니터링의 간소화를 통해 시스템의 적용 비용이 줄어들며 콘트롤러와 서버간의 무선통신을 통해 소형풍력 발전기의 확장이 용이하다.Simplification of control and monitoring also reduces the cost of system implementation and facilitates expansion of small wind turbines through wireless communication between controller and server.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. For example,
또한, 본 발명에 따르는 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 분산 컴퓨터 시스템에 의하여 분산 방식으로 실행될 수 있는 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드를 저장할 수 있다. In addition, the method according to the present invention can be embodied as computer-readable code on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium may include any type of recording device that stores data that can be read by a computer system. Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and may be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission via the Internet) . The computer readable recording medium may also store computer readable code that may be executed in a distributed manner by a distributed computer system connected to the network.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
본 발명은 수직형 터빈을 채용하는 소형 풍력 발전 시스템에 적용될 수 있다.The present invention can be applied to a small wind turbine system employing a vertical turbine.
Claims (12)
상기 소형 풍력 발전 시스템에 포함되는 수직축 소형 풍력 발전기들에 부착된 센서들로부터 수직축 풍력 터빈 브레이크 정보, 배터리 상태, 발전기 정보, 회전 날개 정보, 및 풍속 데이터 중 적어도 하나를 포함하는 아날로그 센서 정보를 수신하기 위한 아날로그 정보 수신부;
수신된 상기 아날로그 센서 정보를 분석하여 상기 수직축 소형 풍력 발전기의 동작 상태를 결정하는 동작 상태 결정부;
결정된 상기 동작 상태에 기초하여 상기 수직축 소형 풍력 발전기를 제어하여, 상기 수직축 소형 풍력 발전기의 브레이크를 작동시키거나 축전지에 전력을 충전시키는 소형 풍력 발전기 제어부; 및
상기 동작 상태 및 상기 소형 풍력 발전기 제어부로부터 수신된 제어 결과를 다른 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치로 송신하기 위한 정보 교환부를 포함하며,
상기 정보 교환부는, 상기 동작 상태를 표준 프로토콜에 따라서 정보 모델(Information Model; IM)로 변환하고, 상기 표준 프로토콜에 따르는 정보 교환 모델(Information Exchange Model; IEM)로 데이터를 전송하는 서버를 통해 상기 정보 모델을 송수신하고,
상기 서버에서 변환되는 정보모델에는,
논리 노드(Logical Node; LN)의 하나로써 풍력 터빈 일반 정보를 기술하고, 하부에 Brake라는 제어 가능한 데이터를 포함하는 WTUR와,
풍력 발전기 내부에 존재하는 배터리를 표현하는 논리 노드(LN)로, 전압, 충전상태 등 배터리와 관련된 데이터를 제공하는 WBAT와,
발전기를 나타내는 논리 노드(LN)로, 하부에 발전기와 관련된 데이터를 포함하는 WGEN와,
수직축 풍력 터빈의 회전 날개를 나타내는 논리 노드(LN)로, 날개의 회전 속도 등의 정보를 제공하는 WROT 및
풍력발전기 내부를 뒤덮는 덮개를 나타내는 논리 노드(LN)로, 풍속 데이터를 제공하는 WNAC가 포함되며,
상기 소형 풍력 발전기 제어부는, 상기 정보 교환부를 통해 서버로부터 송신된 다른 수직축 소형 풍력 발전기에 대한 데이터를 수신하고, 수신된 다른 수직축 소형 풍력 발전기의 동작 상태 및 제어 결과를 더욱 고려하여 수직축 소형 풍력 발전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치.
As a small wind power system monitoring and control device,
Receiving analog sensor information including at least one of vertical axis wind turbine brake information, battery status, generator information, rotary wing information, and wind speed data from sensors attached to vertical small wind turbines included in the small wind power generation system An analog information receiver for receiving the analog information;
An operating state determination unit for analyzing the received analog sensor information to determine an operating state of the vertical axis small wind turbine generator;
A small wind turbine generator controller for controlling the vertical axis small wind turbine generator based on the determined operation state to operate the brakes of the vertical axis small wind turbine generator or to charge electric power to the storage battery; And
And an information exchange unit for transmitting the operation status and the control result received from the small wind turbine generator control unit to another small wind turbine system monitoring and control apparatus,
The information exchange unit converts the operation state into an information model (IM) according to a standard protocol, and transmits the information through an information exchange model (IEM) Send and receive models,
The information model converted by the server includes:
One of the Logical Nodes (LNs) describes the general information of the wind turbine, the WTUR that contains the controllable data, called the Brake,
A logic node (LN) for representing a battery existing inside a wind turbine, WBAT for providing data related to a battery such as a voltage and a charging state,
A logic node (LN) representing a generator, WGEN comprising data associated with the generator at the bottom,
A logic node (LN) representing a rotary vane of a vertical axis wind turbine, the WROT providing information such as the rotational speed of the vane, and
A logic node (LN) representing a lid covering the interior of the wind turbine, the WNAC providing wind speed data,
The small wind turbine generator control unit receives the data for the other vertical axis small wind turbine transmitted from the server through the information exchanging unit and controls the vertical axis small wind turbine in consideration of the operation state and the control result of the other vertical small- Wherein the control unit controls the operation of the small wind turbine generator.
상기 서버로 부터 정보 교환 모델로 상기 동작 상태 및 제어 결과를 수신하고, 이를 표시하기 위한 디스플레이가 더 포함되는 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치.
6. The method of claim 5,
Further comprising a display for receiving and displaying the operating status and control results from the server into an information exchange model.
상기 수직축 소형 풍력 발전기로부터 센서 정보를 수신하고 상기 수직축 소형 풍력 발전기를 제어하는 모니터링 및 제어부;
상기 모니터링 및 제어부로부터 상기 수직축 소형 풍력 발전기의 동작 상태를 수신하고, 수신된 동작 상태를 표준 프로토콜에 따라서 정보 모델(Information Model; IM)로 변환하며, 상기 표준 프로토콜에 따르는 정보 교환 모델(Information Exchange Model; IEM)에 따라서 상기 정보 모델을 송신하는 서버; 및
상기 서버와 통신하며, 상기 정보 교환 모델에 따라서 상기 정보 모델을 상기 서버로부터 수신하는 클라이언트를 포함하고,
상기 모니터링 및 제어부는,
상기 수직축 소형 풍력 발전기들에 부착된 센서들로부터 풍력 터빈 브레이크 정보, 배터리 상태, 발전기 정보, 회전 날개 정보, 및 풍속 데이터 중 적어도 하나를 포함하는 아날로그 센서 정보를 수신하기 위한 아날로그 정보 수신부;
수신된 상기 아날로그 센서 정보를 분석하여 상기 수직축 소형 풍력 발전기의 동작 상태를 결정하는 동작 상태 결정부;
결정된 상기 동작 상태에 기초하여 상기 수직축 소형 풍력 발전기를 제어하여, 상기 수직축 소형 풍력 발전기의 브레이크를 작동시키거나 축전지에 전력을 충전시키는 소형 풍력 발전기 제어부; 및
상기 서버와 통신하는 정보 교환부를 포함하고,
상기 수직축 소형 풍력 발전기 제어부는, 상기 서버로부터 수신된 다른 소형 풍력 발전기에 대한 상기 동작 상태 및 제어 결과를 더욱 고려하여 상기 소형 풍력 발전기를 제어하며,
상기 서버에서 변환되는 정보모델에는,
논리 노드(Logical Node; LN)의 하나로써 풍력 터빈 일반 정보를 기술하고, 하부에 Brake라는 제어 가능한 데이터를 포함하는 WTUR와,
풍력 발전기 내부에 존재하는 배터리를 표현하는 논리 노드(LN)로, 전압, 충전상태 등 배터리와 관련된 데이터를 제공하는 WBAT와,
발전기를 나타내는 논리 노드(LN)로, 하부에 발전기와 관련된 데이터를 포함하는 WGEN와,
수직축 풍력 터빈의 회전 날개를 나타내는 논리 노드(LN)로, 날개의 회전 속도 등의 정보를 제공하는 WROT 및
풍력 발전기 내부를 뒤덮는 덮개를 나타내는 논리 노드(LN)로, 풍속 데이터를 제공하는 WNAC가 포함되는 것을 특징으로 하는 소형 풍력 발전 시스템.
A compact wind turbine system for generating power using vertical axis small wind turbines,
A monitoring and control unit receiving sensor information from the vertical axis small wind turbine generator and controlling the vertical axis small wind turbine generator;
Receiving the operating state of the vertical axis small wind turbine generator from the monitoring and control unit, converting the received operating state into an information model (IM) according to a standard protocol, and generating an information exchange model ; ≪ / RTI >IEM); And
And a client communicating with the server and receiving the information model from the server according to the information exchange model,
Wherein the monitoring and control unit comprises:
An analog information receiver for receiving analog sensor information including at least one of wind turbine brake information, battery status, generator information, rotary wing information, and wind speed data from sensors attached to the vertical axis small wind turbines;
An operating state determination unit for analyzing the received analog sensor information to determine an operating state of the vertical axis small wind turbine generator;
A small wind turbine generator controller for controlling the vertical axis small wind turbine generator based on the determined operation state to operate the brakes of the vertical axis small wind turbine generator or to charge electric power to the storage battery; And
And an information exchange unit for communicating with the server,
The vertical axis small wind turbine generator control unit controls the small wind turbine generator further considering the operation state and the control result of another small wind turbine received from the server,
The information model converted by the server includes:
One of the Logical Nodes (LNs) describes the general information of the wind turbine, the WTUR that contains the controllable data, called the Brake,
A logic node (LN) for representing a battery existing inside a wind turbine, WBAT for providing data related to a battery such as a voltage and a charging state,
A logic node (LN) representing a generator, WGEN comprising data associated with the generator at the bottom,
A logic node (LN) representing a rotary vane of a vertical axis wind turbine, the WROT providing information such as the rotational speed of the vane, and
Wherein the WNAC is a logic node (LN) representing a lid that covers the interior of the wind turbine and provides wind speed data.
상기 소형 풍력 발전기 제어부는, 브레이크 상태, 풍속, 발전기 회전 속도, 출력 전압, 및 배터리 잔량 중 적어도 하나에 기초하여 상기 수직축 소형 풍력 발전기를 제어하는, 소형 풍력 발전 시스템.8. The method of claim 7,
Wherein the small wind power generator control unit controls the vertical small wind power generator based on at least one of a break condition, a wind speed, a generator rotation speed, an output voltage, and a remaining battery level.
상기 서버로부터 정보 교환 모델로 상기 동작 상태 및 제어 결과를 수신하고, 이를 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하는, 소형 풍력 발전 시스템.
9. The apparatus of claim 8, wherein the monitoring and control unit comprises:
Further comprising a display for receiving and displaying the operating status and control results from the server to an information exchange model.
상기 소형 풍력 발전 시스템 모니터링 및 제어 장치의 온도를 안정 범위에서 유지하기 위한 온도 조절부를 더 포함하는, 소형 풍력 발전 시스템.8. The apparatus of claim 7, wherein the monitoring and control unit comprises:
Further comprising a temperature regulator for maintaining the temperature of the small wind turbine system monitoring and control device in a stable range.
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